Термоакустичний двигун - Двигун стерлінгів без поршня

Двигун Stirling є двигуном з зовнішнім теплопостачанням. Зовнішнє теплопостачання дуже зручно, коли є необхідність використання неорганічних палива як джерела тепла. Наприклад, можна використовувати сонячну енергію, геотермальну енергію, відходи тепла від різних підприємств.


р.



Хороша особливість циклу «Стирлінг» полягає в тому, що його ефективність дорівнює ефективності циклу «Карнот» [1]. Природно, реальні двигуни, що мають меншу ефективність і часто багато іншого. Двигун стерлінгів почав своє існування з пристроєм, що має багато рухомих частин, таких як поршні, стрижні, колінчастий вал, підшипники. Крім того, ротор генератора обертається (рис. 1).






Малкa 1 - Тип двигуна Stirling Alpha

Дивитися на двигуні Stirling Alpha. При обертанні валу поршні починають дистильувати газ від холоду до гарячого циліндра, потім, навпаки, від спекотного до холоду. Але вони не просто дистильують, вони також компресують і розширюють. Проводиться термодинамічний цикл. Ви можете ментально уявити на малюнку, що коли вал виходить так, щоб вісь, на якій кріпляться штанги, це буде момент найбільшої компресії газу, а коли внизу, то розширення. Правда, це не зовсім так через теплові розширення і стиснення газу, але про все це правда.

Серце двигуна - так званий сердечник, який складається з двох теплообмінників - гаряча і холодна і між ними - регенератор. Теплообмінники зазвичай виготовляють пластину, а регенератор найчастіше стека намальована з металевої сітки. Чому потрібні теплообмінники - нагрівати і охолоджувати газ, і чому потрібно регенератор? Регенератор – справжній теплоаккумулятор. При гарячому газі переходить на холодну сторону, нагріває регенератор і регенератор зберігає теплову енергію. Коли газ переходить з холоду на гарячу сторону, холодний газ нагрівається в регенераторі і, таким чином, це тепло, яке без регенератора буде безперечно йти на підігрів навколишнього середовища, зберігається. Отже, регенератор дуже необхідний. Хороший регенератор збільшує ефективність двигуна приблизно на 3,6 разів.

Я хочу розповісти вам більше про теплообмінників. Більш саморобні двигуни, які я бачив, не мають теплообмінників на всіх (Я маю на увазі альфа-двигуни). Теплообмінники – поршні та циліндри самі. Один циліндр нагрівається, інший охолоджується. При цьому площа поверхні теплообміну в контакті з газом дуже невелика. Отже, можна значно збільшити потужність двигуна шляхом введення теплообмінників при вході в циліндри. І навіть на рисунку 1 полум'я спрямований безпосередньо на циліндр, який не зовсім так в заводських двигунах.

Повернемося до історії розвитку двигунів Отже, нехай двигун хороший багато способів, але наявність мастильних кілець і підшипників скоротили життя двигуна і інженерів думав, що важко поліпшити його, і придумав його.

У 1969 році Вільям Бале досліджував резонансні ефекти двигуна і був пізніше здатний зробити двигун, який не потрібно стрижнів або колінного валу. Синхронізація поршневих поршнів відбувалася внаслідок резонансних ефектів. Цей тип двигуна був відомий як двигун вільного поршня (Figure 2).






Малкa 2 - Вільний поршневий двигун Stirling

Малюнок 2 показує вільний поршневий бета двигуна. Тут газ рухається від гарячої до холоду, і навпаки, завдяки штовхачу (який вільно рухається), і робоча поршня робить корисну роботу. На спіральних пружинах, які можна побачити в правій частині картини. Складність полягає в тому, що їх коливання повинні бути при однаковій частоті і з різницею фази 90 градусів, всі через резонансні ефекти. Це досить важко зробити це.

Таким чином, кількість деталей була зменшена, але вимоги до точності розрахунків і виробництва затягуються. Але надійність двигуна безперечно зросла, особливо в конструкціях, де застосовуються гнучкі мембрани як зміщення і поршня. У цьому випадку немає протирання деталей в двигуні взагалі. Електроенергія, при бажанні від такого двигуна можна видалити за допомогою лінійного генератора.

Але це не було достатньо для інженерів, і вони почали шукати способи позбавлення від не просто протирання деталей, але в цілому від рухомих частин. І вони знайшли спосіб.

У сімдесятах 20 століття Петра Zeperli реалізував, що синусоїдальні коливання тиску і швидкості газу в двигуні Stirling, а також факт, що ці коливання знаходяться в фазі, неймовірно тісно нагадують коливання в тиску і швидкості газу в подорожній звуковій хвилі (рис. 3).





Малюнок 3: Графік тиску і швидкості подорожі акустичної хвилі як функція часу. Наведено, що коливання тиску та швидкості в фазі.

Ця ідея прийшла до Зеперлі не випадково, так як перед ним було багато досліджень в галузі термоакустики, наприклад, Господь Раліг себе в 1884 році якісно описав цей феномен.

Таким чином, він запропонував відмовитися від поршнів і крильчаток, а також використовувати тільки акустичну хвилю для контролю тиску і руху газу. У той же час двигун без рухомих частин виходить і теоретично здатний досягти ефективності циклу стерлінгів, і тому Карнот. В дійсності найкраща продуктивність 40-50% ефективності циклу Carnot (рис 4).

р.



Малкa 4 - Схема термоакустичного двигуна з проточною хвилею

Ви можете побачити, що термоакустичний двигун з проїзною хвилею є точно таким же ядром, що складається з теплообмінників і регенератора, тільки замість поршнів і штанг тут просто петляна труба, яка називається резонатором. Як працює цей двигун, якщо немає рухомих частин? Як це можливо?

По-перше, давайте відповідь на питання, де з’являється звук? І відповідь полягає в тому, що це відбувається самостійно, коли існує достатня температура між двома теплообмінниками. градієнта температури в регенераторі дозволяє збільшити звукові коливання, але тільки певну довжину хвилі, що дорівнює довжині резонатора. З самого початку процес виглядає так: при нагріванні гарячого теплообмінника відбувається мікро іржі, можливо, навіть тріщини від теплових деформацій, це неминуче. Ці іржі є шумом, який має широкий діапазон частот. Від усього цього насиченого спектра звукових частот двигун починає посилювати звукову вібрацію, довжина хвилі якої дорівнює довжині труби - резонатор. І неважливо, як невелика початкова коливання, вона буде посилена до максимально можливого. Максимальний об'єм звуку всередині двигуна відбувається, коли потужність звукопідсилення за допомогою теплообмінників дорівнює потужності втрати, тобто потужність ослаблення звукових коливань. І це максимальне значення іноді досягає величезних значень 160 дБ. Так в цьому двигуні дуже гучний. На щастя, звук не може вийти, так як резонатор ущільнюється і тому, стоячи поруч з робочим двигуном, його навряд чи можна почути.

Особлива частота звуку посилюється завдяки тому ж термодинамічному циклу – цикл стерлінгів, який здійснюється в регенераторі.



Рис. 5 - Етапи циклу грубі і спрощені.

Як я вже писав, в термоакустичний двигуні немає рухомих частин, він генерує лише акустичну хвилю всередині себе, але, на жаль, без рухомих частин, неможливо видалити електроенергію з двигуна.

Як правило, енергія витягується з термоакустичних моторів з використанням лінійних генераторів. Еластична мембрана утворюється під тиском високої інтенсивності звукової хвилі. Всередині мідної котушки з ядром, магніти, закріплені на мембранній вібрації. генерується електроенергія.

У 2014 році Kees de Blok, Pawel Owczarek і Maurice Francois of Aster Thermoacoustics показали, що двостороння пульсова турбіна, підключена до генератора, підходить для перетворення енергії звукової хвилі в електрику.

, Україна

Рис. 6 - Схема імпульсної турбіни

Імпульсні турбіни обертаються в одному напрямку незалежно від напрямку потоку. Малюнок 6 схематично показує лопатки статора з боків і лопаток ротора посередині.
Як виглядає турбіна в реальності:



Малкa 7 - Зовнішній вигляд двонаправної імпульсної турбіни

Очікується, що використання турбіни замість лінійного генератора значно зменшить вартість конструкції і підвищить потужність пристрою до потужності типового ХП, що неможливо з лінійними генераторами. Видання



P.S. І пам'ятайте, що просто змініть наше споживання – разом ми змінюємо світ!

Джерело: geektimes.ru/post/287578/